超大型并联逆变中频电源启动技术研究

摘要

感应加热设备的核心部分是变频电源，其中大功率感应加热装置以晶闸管中频电源为主。中频电源的大型化一直是其主要发展趋势，为了使感应加热得到更广泛的应用，至少应制造出安全可靠的50-100兆瓦特大功率中频电源，使感应炉达到50吨至100吨的容量，这样感应加热的优势才能得以全面体现。
　　 受功率半导体器件容量的制约，中频电源大型化是通过少量器件串并联达到合理单机容量的情况下，再多机并联的方式来实现的。恒流源特性决定了并联逆变中频电源更适宜多机并联。对于并联逆变晶闸管中频电源，无论是单机运行还是多机并联总是面临重负载下的启动问题，越大容量的电源，其对应的负载也越难于启动。因此，超大功率中频电源研制的根本困难就是解决50吨-100吨负载下，并联逆变晶闸管中频电源的启动问题。
　　 大容量重负载条件下并联逆变器的启动困难可以归结为谐振系统的阻尼问题。欠阻尼条件下，负载电阻越小，振荡衰减越剧烈，电源越难于启动。感应炉负载可以简单地通过增加感应线圈匝数来增加等效电阻，使电源易于启动，但受欧姆定理限制，大电阻下设备要达到足够的功率就必须增加设备的电压。受器件耐压以及安全性的制约，并联逆变中频电源功率无法进一步提高。
　　 我们提出一种频率预追踪多外桥转内桥的启动技术，基于该技术制造了由两台750kW并联逆变中频电源单机组成的1500kW中频电源启动试验机组，成功进行了感应炉冻炉负载、反应釜负载和氧气瓶负载的低压启动试验。
　　 3种负载的启动试验充分证明了频率预追踪多外桥转内桥启动方案的重负载启动能力。其中，反应釜负载的各项设计完全可以等效为实际45吨感应熔炼炉炉体负载或者45吨超大型工件的透热负载。而氧气瓶负载的直流等效电阻仅为0.04Ω，这意味着以现有中频电源的耐压水平（直流电压2000V），理论上设备的输出功率可以达到100MW。该项启动技术可以使感应加热在功率和容量上与电弧加热相接近，感应加热的应用领域将得到极大拓展。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

第一节 感应加热原理

1.1.1 交变磁场的涡流

1.1.2 感应加热设备中电流分布的三种效应

第二节 感应加热中频电源的应用

1.2.1 感应淬火

1.2.2 感应透热

1.2.3 感应熔炼

第三节 中频电源的发展趋势

1.3.1 单机容量增大遇到的问题

1.3.2 多机并联的中频电源机组

第二章 功率半导体器件

第一节 功率半导体器件分类

第二节 不可控功率半导体器件

第三节 半控型功率半导体器件

2.3.1 普通晶闸管

2.3.2 晶闸管主要参数

2.3.3 晶闸管的衍生器件

第四节 全控型功率半导体器件

2.4.1 门极可关断晶闸管（GTO）

2.4.2 大功率晶体管（GTR）

2.4.3 功率场效应管（P-MOSFET）

2.4.4 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

第五节 功率半导体器件的比较

第三章 并联逆变和串联逆变中频电源

第一节 负载等效电路

3.1.1 负载感应器

3.1.2 负载感应器等效电路

第二节 并联逆变中频电源

3.2.1 并联谐振负载电路

3.2.2 并联谐振电路品质因数（Q值）

3.2.3 全桥并联逆变晶闸管中频电源

3.2.4 工作过程分析

3.2.5 启动困难与负载电路的阻尼

3.2.6 并联逆变中频电源的特点

第三节 串联逆变中频电源

3.3.1 串联谐振负载电路

3.3.2 串联谐振电路品质因数（Q值）

3.3.3 全桥串联逆变晶闸管中频电源

3.3.4 工作过程分析

3.3.5 串联逆变中频电源的特点

第四章 现有并联逆变中频电源启动技术

第一节 撞击启动法

4.1.1 撞击启动法电路

4.1.2 启动过程分析

4.1.3 撞击启动方案优缺点分析

第二节 他激转自激启动法

4.2.1 他激转自激启动法主电路和控制框图

4.2.2 启动过程分析

4.2.3 他激启动方案优缺点分析

第三节 扫频启动法

4.3.1 扫频启动法控制框图

4.3.2 启动过程分析

4.3.3 扫频启动方案优缺点分析

第四节 负载充磁启动法

4.4.1 负载充磁法电路

4.4.2 启动过程分析

4.4.3 负载充磁启动方案优缺点

第五节 外桥转内桥启动法

4.5.1 外桥转内桥启动法主电路

4.5.2 启动过程分析

4.5.3 外桥转内桥启动方案优缺点分析

第六节 德国Otto Junker公司的辅助桥启动法

4.6.1 Otto Junker主电路

4.6.2 启动过程分析

4.6.3 启动方案存在的问题

第五章 频率预追踪多外桥转内桥启动电路

第一节 基本构想

第二节 主电路原理

第六章 整流滤波电路

第一节 一般整流滤波电路

6.1.1 三相桥式全控整流电路

6.1.2 三相桥式半控整流电路

6.1.3 滤波电路

第二节 多电压并联整流滤波电路

6.2.1 电路基本原理

6.2.2 整流触发电路

第七章 逆变电路

第一节 自动调频电路

7.1.1 定角电路

7.1.2 恒反压时间电路（TOT电路）

第二节 晶闸管的抗干扰触发驱动电路

第八章 锁相环电路

第一节 一般锁相环

8.1.1 锁相环的基本组成

8.1.2 鉴相器

8.1.3 环路滤波器

8.1.4 压控振荡器

第二节 锁相环在中频电源中的应用

8.2.1 轻负载下中频电源中的应用

8.2.2 重负载下中频电源中的应用

第三节 无低通滤波器的锁相环

8.3.1 单向电荷泵锁相环基本原理

8.3.2 电路原理试验

第九章 1500kW启动样机设计

第一节 整流滤波电路及保护

9.1.1 整流电路设计

9.1.2 滤波电抗器

9.1.3 过压过流保护

第二节 负载的电容升压电路

9.2.1 电容升压电路原理

9.2.2 电容升压负载电路的负反馈

第三节 逆变电路的启动控制

9.3.1 主控制电路框图

9.3.2 预磁化电路

9.3.3 锁相环电路

9.3.4 小外桥工作

9.3.5 他激频率转自激频率

9.3.6 小外桥转大外桥工作

9.3.7 大外桥转内桥工作

9.3.8 内桥2工作

9.3.9 定角电路转TOT电路控制

第四节 超重负载的启动试验

9.4.1 感应炉冻炉负载启动试验

9.4.2 反应釜和氧气瓶负载启动试验

第十章 结论

参考文献

致谢

个人简历